Магнитосферные воздействия

В предыдущей публикации («Новости ЭлектроТехники» № 1(79) 2013) Валентин Александрович Сушко и Дмитрий Анатольевич Косых показали, насколько серьезными могут быть угрозы, порождаемые экстремальными геомагнитными штормами.
В настоящее время массовый выход из строя электроэнергетического оборудования в любом государстве мира будет иметь катастрофические последствия, причем не просто для его энергетики или экономики, а глобально – для национальной безопасности.
Сегодня наши чебоксарские авторы рассматривают решения, которые помогут избежать разрушительного влияния космической погоды (геомагнитных возмущений) на энергосистемы.

Валентин Сушко, доцент кафедры ТОЭ и РЗА, Чувашский ГУ	Дмитрий Косых, руководитель отдела разработки устройств, ОАО «ВНИИР»
г. Чебоксары

ГЕОМАГНИТНЫЕ ШТОРМЫ
Влияние на электроэнергетические системы и меры противодействия

Важнейшим в настоящее время является вопрос о том, какие технические и организационные меры противодействия разрушительному влиянию геомагнитных штормов (ГМШ) на электроэнергетические системы (ЭЭС) может противопоставить современная электроэнергетика.

Решение этой задачи требует системного подхода к проблеме на государственном уровне, значительных финансовых затрат, решения комплекса вопросов на законодательном, организационном и техническом уровнях.

Масштабные работы уже более 20 лет (после ГМШ 1989 г., нанесшего урон ЭЭС США и Канады [1]) проводит Североамериканский совет по надежности электроснабжения (NERC) [2].

NERC является международным контролирующим органом, установленным для оценки соответствия надежности электроэнергетической системы Северной Америки предъявляемым к ней требованиям. Деятельность NERC охватывает территорию США, многие области Канады, а также северную часть Нижней Калифорнии в Мексике. В настоящее время NERC имеет 8 региональных отделений.

В соответствии с Законом об энергетической политике от 2005 г., конгресс США обязал NERC проводить периодическую оценку надежности ЭЭС Северной Америки, включая оценки зимнего и летнего сезонов, контролировать работу ЭЭС, обучать, тренировать и сертифицировать промышленный персонал.

Несмотря на то, что данная проблема признана в США как угроза национальной безопасности, в настоящее время она еще не имеет приемлемого решения, а расчетные потери для электроэнергетики и экономики остаются огромными [3].

Однако можно ожидать, что последовательное и системное решение этой задачи в США позволит получить в ближайшие годы приемлемые результаты с целью уменьшения ущерба для ЭЭС и экономики страны при сценарии воздействия ГМШ. Важнейшей задачей является предотвращение выхода из строя основного электроэнергетического оборудования (ключевых трансформаторов, генераторов, источников реактивной мощности).

Угроза ГМШ для ЭЭС заключается в том, что заряженные частицы ГМШ взаимодействуют с магнитосферой-ионосферой Земли и вызывают ионосферные токи в миллионы ампер, возмущают горизонтальную составляющую магнитного поля Земли, вызывая электрические напряжения вблизи поверхности Земли и геомагнитные индуцированные токи (ГИТ) в ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения с заземленной нейтралью. ГИТ представляют собой квазипостоянные токи нулевой последовательности и, протекая по высоковольтным заземленным обмоткам трансформаторов (ТР) совместно с током нагрузки промышленной частоты, вызывают однополупериодное насыщение стали магнитопроводов ТР с различными последствиями, о которых будет сказано ниже. Насыщение стальных магнитопроводов ТР вызывает резкое увеличение потребляемой ими реактивной мощности, приводит к нарушению баланса реактивной мощности, неустойчивости напряжения в ЭЭС, аварийным отключениям и развалу ЭЭС.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ГИТ

Для оценки геомагнитного воздействия на оборудование ЭЭС необходимо знать величину и продолжительность пульсов ГИТ. NERC была разработана методика вычисления величины ГИТ и их амплитуд, которые могут ожидаться в различных широтах при штормовом сценарии, происходящем один раз в 100 лет.

Проектная базисная вероятная угроза (ПБВУ) для оценки воздействия ГМШ [2] может быть охарактеризована величиной и соответствующей продолжительностью пульсов ГИТ, подтвержденными за промежуток времени, имеющий исторические и географические данные для области или оперативной зоны, доказанные измерением данных и/или техническими моделями.

ПБВУ является первым уровнем для выработки мероприятий по защите от ГМШ и в последующем дополняется рабочими процессами или положениями для больших чрезвычайных уровней ГМШ.

Определение воздействия ГМШ на ЭЭС состоит из трех частей:

• прогнозирование случаев геомагнитной активности;
• вычисление электрических полей, воздействующих на ЭЭС;
• проведение моделирования ГИТ.

Вычисление электрических полей требует знания структуры проводимости Земли, чтобы определить поля в каждой области ЭЭС.

Современные магнитные измерения производятся магнитометрами:

• по географическим компонентам X, Y, Z (X – направление на север, Y – направление на восток, Z – вертикально вниз);
• по компонентам магнитного поля H, D, Z (H – направление на магнитный север, D – направление на магнитный восток, Z – вертикально вниз).

Цифровые геомагнитные данные используются, чтобы определить скорость изменения горизонтальной составляющей магнитного поля dB/dt, которая измеряется каждый час. При больших ГМШ скорость изменения магнитного поля dB/dt > 300 нТл/мин на большей части территории США и Канады маловероятна и составляет от 0,002% на юге до 0,2% в средних и северных широтах территорий со снижением до 0,02% ближе к северному магнитному полюсу.

Изменения магнитного поля во время ГМШ вызывают электрические поля на Земле. Эти поля вызывают ГИТ в Земле, препятствующие изменению магнитного поля и уменьшающиеся с глубиной. Это известный «скин-эффект», замеченный в проводниках. Однако из-за более низкой проводимости Земли токи проникают на глубину от километров до сотен километров в зависимости от частоты.

В периоды изменения токов ГИТ (от секунд до часов) изменения магнитного поля проникают через тонкий поверхностный слой почвы и проводимость этого слоя не оказывает никакого влияния. Земная проводимость в глубине (в коре и мантии) влияет на электрические поля на поверхности Земли, что следует учитывать при вычислении электрических полей и результирующих ГИТ в ЛЭП.

Информация о структуре проводимости Земли может быть получена методом магнитотеллурического зондирования и с использованием геофизической и геологической информации. В результате получается слоистая модель с различными значениями проводимости Земли вплоть до глубин более 600 км ниже определенной области расположения ЭЭС. Одномерные модели Земли в функции от глубины используются для вычисления изменения электрического поля во времени.

Наиболее характерными для Северной Америки областями по проводимости Земли являются Канадский щит с высоким удельным сопротивлением Земли на глубинах до 15 км и район Британской Колумбии с более проводящими верхними слоями Земли. Для этих областей пиковые расчетные значения электрических полей для 100-летнего сценария ГМШ составили 20 В/км и 5 В/км соответственно для геомагнитной широты свыше 50°. Ниже этого порога геомагнитной широты расчетные пиковые значения электрических полей резко уменьшаются и составляют соответственно 2 В/км для региона с большим сопротивлением грунтов и 0,5 В/км для региона с малым сопротивлением грунтов.

Для других участков территории США и Канады пиковые значения электрических полей находятся между указанными крайними значениями.

Электрические поля рассчитываются на основании изменений индукции в виде напряжений вдоль трассы ЛЭП (определяется координатами географической долготы и широты начала и конца ЛЭП). ГИТ вычисляются исходя из активных сопротивлений ЛЭП, ТР и сопротивлений заземления. Реакторы, включенные в сеть с заземленной нейтралью, не учитываются, т.к. их активное сопротивление существенно больше, чем у ТР. ЛЭП напряжением ниже 230 кВ также не принимаются в расчет, потому что их активные сопротивления обычно намного больше, чем у ЛЭП 230 кВ и выше.

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

ГИТ, возникающие при ГМШ, протекающие по проводам ЛЭП и обмоткам ТР высокого и сверхвысокого напряжения с заземленной нейтралью и представляющие собой токи нулевой последовательности (квазипостоянные токи), суммируются с токами промышленной частоты и вызывают однополупериодное магнитное насыщение стальных сердечников ТР. При этом ток намагничивания ТР может составлять значительную долю номинального тока, а при суперштормах его амплитуда может в несколько раз превышать амплитуду номинального тока [1].

Основная угроза для силовых трансформаторов заключается:

• в перегреве обмоток и их изоляции вплоть до обугливания и полного разрушения;
• в перегреве стали сердечников ТР из-за высокого содержания гармоник в токе намагничивания вплоть до оплавления стали в районе соединения обмоток в заземленную «звезду»;
• в перегреве конструктивных деталей и бака ТР из-за резкого возрастания магнитных потоков рассеяния при магнитном насыщении стали сердечника ТР;
• в последующем перегреве охлаждающего трансформаторного масла.

В [2] приводится пример расчета с использованием «Программы моделирования электромагнитных переходных процессов» амплитуды тока намагничивания при ГИТ 47 А для ТР 100 МВА, 115/27,6 кВ с действующим значением номинального тока намагничивания 2,2 А. При однополупериодном насыщении сердечника ТР амплитуда тока намагничивания возрастает в 250 раз, а продолжительность импульса тока не превышает 0,1 периода промышленной частоты.

В наименьшей степени насыщается сталь сердечников трехфазных трехстержневых ТР, т.к. магнитный поток нулевой последовательности, создаваемый ГИТ, замыкается через немагнитный зазор (охлаждающее масло), конструктивные детали и бак ТР. Намагничивающий ток у них примерно на порядок меньше, чем у однофазных трехстержневых ТР [2] при одинаковых значениях ГИТ или у трехфазных пятистержневых ТР.

В [2] приведены данные об исследовании причин повреждаемости шести ТР в разных странах. При этом следует учесть, что самый сильный ГМШ за последние 30 лет в 1989 г. был более чем в 10 раз слабее сценария 100-летнего ГМШ (напряжение в Квебеке на поверхности Земли было 1,7 В/км, а в 100-летнем сценарии – 20 В/км).

Проведенные испытания ТР в нескольких странах при имитации ГИТ с помощью наложения постоянного тока на ток промышленной частоты не позволяют однозначно оценить риск их повреждения и сокращения срока службы, т.к. в реальных условиях при ГМШ перегрев ТР определяется изменением во времени величины, частоты и продолжительности пульсаций ГИТ, определяемых конкретным ГМШ и местом его воздействия на поверхности Земли, а также конструкцией ТР.

Необходимо совершенствовать тепловые модели ТР, чтобы иметь возможность определить, что при ГМШ не превышаются допустимые температуры нагрева при длительной и кратковременной перегрузке ТР, определяемые стандартом IEEE C 57.91-1995.

ЗАЩИТА И КОНТРОЛЬ

При воздействии ГМШ возникающие в ЭЭС ГИТ могут приводить к насыщению как силовых ТР с появлением высокого уровня гармоник, так и измерительных трансформаторов тока (ТТ) и вызывать ложную работу или отказы РЗА силового оборудования.

Электромеханические реле более подвержены воздействию гармоник, чем микропроцессорные (МП) устройства РЗА. Электромеханические реле необходимо подвергать тестированию, чтобы определить их поведение в условиях ГИТ.

Отметим, что:

• ТТ могут насыщаться под воздействием ГИТ, однако маловероятно, чтобы они насыщались под воздействием ГИТ при эксплуатационных параметрах тока промышленной частоты.
• При насыщении ТТ дифференциальные токовые защиты (ДТЗ) могут работать ложно под воздействием ГИТ. Это надо учитывать при выборе коэффициентов торможения ДТЗ.
• Насыщение силовых ТР и измерительных ТТ при наличии ГИТ может привести к отказу ДТЗ ТР с блокировкой от токов гармоник, в результате чего может произойти перегрев и выход из строя ТР. В связи с этим предпочтительным является использование ДТЗ с торможением от токов гармоник, что позволяет не отключать преждевременно ТР в условиях ГИТ, а возможность перегрева ТР может исключаться срабатыванием реле давления или реле Бухгольца.
• ДТЗ других объектов, кроме ТР, не используют гармоники для торможения. В ДТЗ реакторов поперечной компенсации, шин, высокоимпедансных, дифференциально-токовых и дифференциально-фазных защит ЛЭП обычно удается при воздействии ГИТ и насыщении ТТ найти приемлемый компромисс между чувствительностью и безопасностью.
• Влияние насыщения ТТ на защиты ЛЭП (дистанционные, токовые, токовые направленные, токовые обратной и нулевой последовательности) менее значительно, чем на ДТЗ. При насыщении ТТ амплитуда вторичного тока может быть уменьшена и может произойти некоторое изменение фазы. Это может привести к замедлению или отказу дистанционных измерительных органов третьей или второй, но не основной зоны защиты. Направленные защиты обычно действуют правильно при насыщении ТТ.
• В ДТЗ ЛЭП в условиях насыщения ТТ могут появляться ложные рассогласования входных сигналов в области вблизи границы зон срабатывания и несрабатывания при отсутствии условий для срабатывания ДТЗ. Это рассогласование устраняется изменением зоны срабатывания.
• При однополупериодном насыщении ТР, вызываемом ГИТ, в ЭЭС возникают значительные величины четных и нечетных гармоник в токах и напряжениях. Статические компенсаторы реактивной мощности (СТК) и батареи конденсаторов (БК) уязвимы для гармоник, если устройства их защиты реагируют на пиковые или действующие значения результирующих токов и напряжений, а не на основную гармонику. Эти системные устройства поддержки реактивной мощности имеют важное значение для обеспечения стабильности напряжения при ГМШ, когда резко возрастает потребление реактивной мощности. При этом необходимо как защитить СТК и БК, так и предотвратить ложное их отключение при ГМШ.
• МП-устройства, использующие основную гармонику, могут вычислять ее со значительной амплитудной и фазной погрешностью при высоком содержании гармоник во время однополупериодного насыщения ТР в период ГМШ в некоторых чувствительных устройствах. Например, некоторые заземленные БК используют в нейтрали чувствительные токовые реле для определения повреждения в конденсаторах. Ложное срабатывание таких реле явилось причиной отключения БК при ГМШ в Квебеке в 1989 г. и способствовало развитию системной аварии [2]. Отметим, что после этого в ЭЭС «Гидро-Квебек» на 5 ЛЭП 735 кВ были установлены устройства продольной емкостной компенсации, которые создают для квазипостоянных ГИТ бесконечно большое сопротивление.

Необходимо, чтобы производители МП-устройств РЗА предоставляли информацию о степени подавления гармоник при фильтрации основной гармоники в МП-устройствах.

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГЕНЕРАТОРЫ

Неустойчивость напряжения и гармонические искажения из-за однополупериодного насыщения ТР во время ГМШ могут воздействовать на генераторы: были зафиксированы случаи отказов генераторов, перегрева роторов и срабатывания РЗА во избежание повреждения генераторов.

Отрицательное воздействие на генераторы во время ГМШ и насыщения ТР производят гармоники обратной последовательности, вызывающие перегрев стали ротора, включая повреждение колец и клиньев, появление скручивающих механических моментов, возможное срабатывание РЗА.

Основной причиной отрицательного воздействия ГМШ на генераторы, как показал анализ, явилось то обстоятельство, что РЗА генераторов не реагировала на гармоники обратной последовательности.

NERC рекомендует [2] при воздействии ГИТ:

• уменьшить выходную мощность генератора во избежание его перегрева;
• включить в сеть генераторы, находящиеся в резерве, для увеличения возможности генерации реактивной мощности и стабилизации напряжения в сети.
  
  

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА БАТАРЕИ КОНДЕНСАТОРОВ

Источники реактивной мощности в виде БК подвержены воздействию гармоник, возникающих при однополупериодном насыщении ТР во время ГМШ. Из-за уменьшения сопротивления БК при увеличении частоты гармоники действующее значение тока в БК может существенно увеличиться при ГМШ и привести к перенапряжениям на БК. БК, включенные по схеме «звезда» с изолированной нейтралью, менее подвержены воздействию гармоник, чем БК с заземленной нейтралью, потому что блокируются гармоники нулевой последовательности.

Устройства релейной защиты и автоматики БК могут иметь различную конфигурацию, потому необходимо учитывать следующее:

• МП-устройства, реагирующие на составляющие промышленной частоты, нечувствительны к гармоникам;
• используется или не используется максимальная токовая защита (МТЗ);
• применяется ли защита по небалансу.

БК высокого напряжения представляет собой последовательно-параллельное соединение значительного количества конденсаторов. Если конденсаторы подверглись перегрузке по току гармоник во время ГМШ, при отсутствии МТЗ они могут быть отключены защитой по небалансу, хотя непоправимой угрозы для конденсаторов не было.

БК при однополупериодном насыщении ТР, в зависимости от индуктивного сопротивления сети и величины ГИТ, могут создавать условия для резонанса в сети, что также необходимо учитывать.

Применяемые в США реакторы поперечной компенсации не имеют стальных сердечников, поэтому ГИТ на них не воздействуют.

ГИТ могут привести к повреждению выключателей, если суммарное мгновенное значение ГИТ и тока промышленной частоты не имеет переходов через нулевое значение в течение длительного времени при отключении тока выключателем. При этом ток может быть недостаточным для срабатывания устройства резервирования отказа выключателя (УРОВ). Подобная ситуация маловероятна, но требует дополнительного исследования.

КАНАЛЫ СВЯЗИ

В РЗА используются как сигналы GPS, так и другие каналы связи: с несущим проводом, по ЛЭП, радиочастотные, микроволновые, оптоволоконные.

Сигналы GPS
Потеря сигналов GPS возможна на несколько часов. Большинство МП-устройств РЗА имеют внутренние часы, которые за время потери сигналов GPS остаются довольно точными. Временная потеря сигналов GPS не оказывает серьезного влияния на работу РЗА. Однако по мере расширения использования РЗА в соответствии со стандартом МЭК 61850 потеря сигналов GPS должна учитываться.

Каналы связи РЗА с несущим проводом и по ЛЭП
Каналы связи РЗА с несущим проводом и по ЛЭП во время ГМШ подвергаются их воздействию в виде увеличения шумов канала. Необходимо учитывать возможность потери канала связи во время ГМШ и соответствующего воздействия шторма на РЗА.

Радио- и микроволновые каналы
Отказ при ГМШ используемых в РЗА радио- и микроволновых каналов связи может создать разнообразные проблемы – от потери телеметрии до отрицательного воздействия на схемы защиты.

Оптоволоконные каналы
Оптоволоконные кабели не подвержены воздействию электрических и магнитных полей и считаются неподверженными воздействию ГМШ.

В следующем номере журнала авторы рассмотрят такие вопросы, как моделирование геомагнитных индуцированных токов, работа устройств по уменьшению ГИТ.